紧凑型车载DLP投影系统及车辆的制作方法

紧凑型车载dlp投影系统及车辆
技术领域
1.本发明涉及照明技术领域，尤其是涉及一种紧凑型车载dlp投影系统。另外，本发明还涉及一种车辆。


背景技术：

2.目前微型投影光学引擎一般采用美国德州仪器公司的dlp(digital light processing)技术，其主要图像和光线调制器件称为dmd(digital micro-mirror device)，dmd上拥有50～130万个微反光镜，每个微镜都可单独控制进行
±
12
°
的偏转，分别对应“on”和“off”状态，处于“on”状态的微反光镜可以将照明系统的光反射进投影系统，在投影面上形成一个像素点，为了适应dmd的工作偏转方式并获得均匀的照明效果，现有技术一般使用复眼进行匀光，然后利用中继透镜对dmd实现科勒照明。
3.传统dlp投影系统中，为了获得均匀的照明效果，通常使用复眼进行匀光与整形，为了避免串光损失，必须以微镜短边不串光进行设计，根据光学拓展量守恒原理，此时长边将产生更大的光束发散角。
4.使用复眼有以下缺点：
5.1、复眼透镜方案的投影镜头设计更复杂，当准直后的光束经过复眼后，长边方向光线发散角变大，但光线高度不变，后端光学拓展量变大，导致投影端系统口径需要加大以保证足够的收光效率；
6.2、复眼透镜的光效较低，一是复眼微透镜间必然存在过渡圆角，经过过渡圆角的光线更易被吸收或散射从而产生损失；二是复眼表面镀膜困难，固有菲涅尔损耗高；三是大发散角光线更容易在照明光路和投影光路中形成重叠干涉；
7.3、复眼透镜成本较高，复眼透镜的制作需要利用高精度模具进行注塑成型，同时需要增加一片中继透镜，元件数量更多，整体成本更高；
8.4、复眼方案中，由于复眼与中继透镜的固有尺寸，在led和投影镜头间会形成未利用空间，如中国实用新型专利，申请号cn215954055u中，光源与投影镜头间存在的间隔，空间利用率较低，同时投影镜头更加复杂，导致整体体积更大。
9.有鉴于此，需要设计一种的紧凑型车载用dlp投影系统来满足实际需求。


技术实现要素：

10.针对上述所要解决的技术问题，本发明第一方面提供了一种紧凑型车载dlp投影系统，能够减少系统元件数量的同时保证成像光学效率
11.本发明第二方面提供了一种车辆，减少系统元件数量的同时保证成像光学效率。
12.为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种紧凑型车载dlp投影系统，包括：
13.光源；
14.聚光透镜，设置在所述光源所发出的入射光线的出射路径上；
15.分光片，对应设置于各所述聚光透镜的聚光方向上；和
16.显示芯片，所述显示芯片适于接收经由多个所述分光片处理后的入射光线；
17.投影镜头组，所述投影镜头组与所述显示芯片之间设有反光镜，所述反光镜适于反射经由所述显示芯片后的入射光线至所述投影镜头组进行成像。
18.优选地，所述光源包括led g光源、led r光源以及led b光源。
19.进一步优选地，所述聚光透镜包括第一聚光透镜、第二聚光透镜以及第三聚光透镜，所述第一聚光透镜分别对应设置于各所述光源的出射路径上，所述第二聚光透镜和所述第二聚光透镜均设置于所述第一聚光透镜的聚光方向上，且所述第二聚光透镜对应于所述led g光源以及所述led r光源设置，所述第三聚光透镜对应于所述led b光源设置。
20.优选地，所述分光片包括第一分光片和第二分光片，所述第一分光片为透gb反r分光片，所述第二分光片为透rg反b分光片，所述第一分光片设置在所述第二聚光透镜的聚光方向上，以能够合并所述第二聚光透镜所汇聚的光线，所述第二分光片设置在所述第三聚光透镜以及所述第一分光片的出射路径上，以能够经由所述第二分光片合并所述第三聚光透镜所汇聚的光线，以及经由所述第一分光片合束后的光线。
21.进一步优选地，所述第二分光片与所述显示芯片之间依次设有柱透镜和场镜，
22.所述柱透镜适于将经过所述第二分光片的光线在x方向上汇聚，在y方向上不变；
23.所述场镜适于接收并折射经由所述柱透镜汇聚后的光线，并在所述显示芯片上形成照明光斑，且所述场镜适于汇聚由所述显示芯片反射的光线，以能够减小光线高度。
24.优选地，所述显示芯片上设有多个微透镜，所述多个微透镜适于开启或关闭，以能够经由处于开启状态的多个所述微透镜反射照射在其上的所述照明光斑至所述投影镜头组内，以实现对应的像素投影。
25.进一步优选地，所述场镜与所述显示芯片在y轴的夹角范围为18
°
～24
°
，所述反光镜与y轴的夹角范围为50
°
～60
°
，所述投影镜头组与x轴垂直设置。
26.优选地，所述投影镜头组的f数在2.0～3.0之间。
27.进一步优选地，所述柱透镜在x轴,y轴方向上具有不同的曲率，其中，所述柱透镜的一个面为平面，另一个面x方向的曲率半径为15～23mm。
28.本发明第二方面提供了一种车辆，采用本发明第一方面所述的紧凑型车载dlp投影系统。
29.通过上述优选技术方案，本发明的紧凑型车载dlp投影系统通过临界照明方式实现dmd照明，减少了系统元件数量，结构更加紧凑；另外，柱透镜的使用不会增大光学拓展量，投影镜头的相对口径可以更小，投影镜头设计更简单；同时，柱透镜的使用不会增大光学拓展量，照明dmd的光束发散角更小，因此会减小照明光路与投影光路的重叠，同时柱透镜可以进行镀膜从而提高其透过率，从而减少相关的光效损失。
30.本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
31.图1为本发明具体实施方式的紧凑型车载dlp投影系统的结构示意图；
32.图2为本发明具体实施方式的紧凑型车载dlp投影系统的光路图；
33.图3为本发明具体实施方式的紧凑型车载dlp投影系统的柱透镜的结构示意图；
34.图4为本发明另一种具体实施方式的紧凑型车载dlp投影系统的结构示意图。
35.附图标记
[0036]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
led g光源
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
led r光源
[0037]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
led b光源
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一聚光透镜
[0038]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二聚光透镜
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三聚光透镜
[0039]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一分光片
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第二分光片
[0040]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
柱透镜
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反光镜
[0041]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
场镜
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
显示芯片
[0042]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
投影镜头组
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ9’ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
偏心透镜
[0043]
10
’ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
tir棱镜
具体实施方式
[0044]
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0045]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，术语“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0046]
本发明具体实施方式的紧凑型车载dlp投影系统，参见图1，包括光源，其中，光源至少包括led g光源1、led r光源2以及led b光源3，三种光源能够发出三种不同的光线。并且，在三种光源的出射路径上，分别设置有聚光透镜，聚光透镜包括第一聚光透镜4、第二聚光透镜5以及第三聚光透镜6，其中，第一聚光透镜4分别对应设置在上述三种光源的出射路径上，因此，通过第一聚光透镜4能够将上述三种光源所发出的光线进行汇聚，然后，经过第一聚光透镜4汇聚后的光线射向第二聚光透镜5和第三聚光透镜6，其中，第二聚光透镜5对应于led g光源1和led r光源2设置，第三聚光透镜6对应于led b光源3设置，并且，由于led g光源1所发出的g光光路差异巨大，因此需要通过第三聚光透镜6对其进行补偿，led g光源1和led r光源2所发出的r、g光光路中的第一聚光透镜4和第二聚光透镜5的组合焦距在3.8～7.1mm之间，数值孔径na不小于0.8，led b光源3所发出的b光光路中第一聚光透镜4和第二聚光透镜5的组合焦距在3～5.5mm之间，数值孔径na不小于0.8，在此焦距范围和数值孔径要求下，可以保证光路最紧凑，同时保证不同光路拥有高光效和良好的照明效果。需要说明的是，聚光透镜的数量可以是两片或更多，满足聚焦透镜的数值孔径高于0.8，能收集led大于70％的能量。
[0047]
分光片对应设置于各聚光透镜的聚光方向上，分光片包括第一分光片7和第二分光片8，第一分光片7为透gb反r分光片，第二分光片8为透rg反b分光片。当led g光源1和led r光源2发出的光线经过第一聚光透镜4和第二聚光透镜5后形成发散角较小的汇聚光束，然后到达透gb反r分光片后，由于透gb反r分光片的表面镀有透gb反r的分色膜，因此，led g光源1所发出的g光直接透过，而r光发生反射，形成g光与r光的合束光，随后g光与r光的合束光继续向右传播，led b光源3发出的光线则经过第一聚光透镜4和第三聚光透镜6后形成小
发散角的汇聚光，且在透rg反b分光片的表面镀有透rg反b分色膜，r光和g光能够直接透过此表面，而b光则在此反射，从而最终实现r、g、b光线合束。
[0048]
显示芯片12能够接收经过多个分光片处理后的入射光线，在此所采用的显示芯片12为dmd芯片，入射光线即为r、g、b光线合束，因此，在显示芯片12与分光片之间还依次设有柱透镜9和场镜11，当r、g、b光线合束经过柱透镜9时，柱透镜9能够将经过第二分光片8的光线在x方向上汇聚，且在y方向上基本保持不变，最后r、g、b光线合束经过场镜11后，能够在dmd芯片上形成一定比例的照明光斑，并且显示芯片12上设有多个微透镜，多个微透镜适于开启或关闭，从而能够通过处于开启状态的多个微透镜反射照射在其上的照明光斑至投影镜头组13内，以此来实现对应的像素投影。
[0049]
投影镜头组13与显示芯片12之间设有反光镜10，反光镜10适于反射经由显示芯片12后的入射光线至投影镜头组13内进行成像。
[0050]
参见图2，场镜11与显示芯片12在y轴的夹角范围为18
°
～24
°
，反光镜与y轴的夹角范围为50
°
～60
°
，在此角度范围内，可以使照明光线以12
°
～36
°
的入射角度射入至dmd芯片上，同时使投影镜头组13与x轴保持垂直。
[0051]
参见图3，柱透镜9在x、y方向上具有不同的曲率，其中一个方向为平面，另一方向曲率半径在15-23mm之间，在此曲率半径范围内，可以使dmd芯片表面的照明光斑具有1.5～1.8:1的比例。在当前光源布置下，透gb反r分光片通过镀膜可实现在590
±
30nm光谱位置截止，波长小于590
±
30nm的光谱透过率大于95％，波长大于590
±
30nm的光谱反射率大于97％；透rg反b分光片过镀膜可实现在490
±
30nm光谱位置截止，波长大于490
±
30nm的光谱透过率大于95％，波长小于490
±
30nm的光谱反射率大于97％，当镀膜曲线截止波段在上述范围内时，可使光色在4500k～6500k时输出光通量最高。投影镜头组13的f数在2.0～3.0之间，可收集dmd芯片在开启状态下能够反射的所有光线。
[0052]
需要说明的是，led光源为led g光源1、led r光源2以及led b光源3，对应的分光片为透gb反r分光片、透rg反b分光片，对应分色膜的截止波段590
±
30nm、490
±
30nm，但本发明的保护范围不局限于上述说明，其他led类型，以及因led布置不同而调整分光片及其膜系，但利用成像原理和非对称面型实现照明和光斑比例变化的方案均属于本发明保护范畴。
[0053]
参见图4，本发明的紧凑型车载dlp投影系统的另一种实施方式，也可以利用偏心透镜9’和tir棱镜10’来分别代替柱透镜9和反光镜10，以能够对光路实现转折，其中偏心透镜9’一面为球面，可以进一步校正成像像差，提高成像质量，另一面为柱面a，对光束的一个方向进行整形，实现照明面比例变化，同时整体进行偏心处理，补偿由tir棱镜10’带来的光程差。
[0054]
本发明提供了一种车辆，采用了本发明的紧凑型车载dlp投影系统，因此也具有上述优点。
[0055]
上述紧凑型车载dlp投影系统是利用成像原理实现临界照明，并利用柱透镜9等非对称面型实现照明光斑比例变化，根据波长或光程的不同对各光路进行差异化设计，实现高光效、小体积的目的。
[0056]
在本发明的描述中，参见术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少
一个实施例或示例中。在本发明中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0057]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种紧凑型车载dlp投影系统，其特征在于，包括：光源；聚光透镜，设置在所述光源所发出的入射光线的出射路径上；分光片，对应设置于各所述聚光透镜的聚光方向上；和显示芯片(12)，所述显示芯片(12)适于接收经由多个所述分光片处理后的入射光线；投影镜头组(13)，所述投影镜头组(13)与所述显示芯片(12)之间设有反光镜(10)，所述反射镜适于反射经由所述显示芯片(12)后的入射光线至所述投影镜头组(13)进行成像。2.根据权利要求1所述的紧凑型车载dlp投影系统，其特征在于,所述光源包括led g光源(1)、led r光源(2)以及led b光源(3)。3.根据权利要求2所述的紧凑型车载dlp投影系统，其特征在于，所述聚光透镜包括第一聚光透镜(4)、第二聚光透镜(5)以及第三聚光透镜(6)，所述第一聚光透镜(4)分别对应设置于各所述光源的出射路径上，所述第二聚光透镜(5)和所述第二聚光透镜(6)均设置于所述第一聚光透镜(4)的聚光方向上，且所述第二聚光透镜(5)对应于所述led g光源(1)以及所述led r光源(2)设置，所述第三聚光透镜(6)对应于所述led b光源(3)设置。4.根据权利要求1所述的紧凑型车载dlp投影系统，其特征在于，所述分光片包括第一分光片(7)和第二分光片(8)，所述第一分光片(7)为透gb反r分光片，所述第二分光片(8)为透rg反b分光片，所述第一分光片(7)设置在所述第二聚光透镜(5)的聚光方向上，以能够合并所述第二聚光透镜(5)所汇聚的光线，所述第二分光片(8)设置在所述第三聚光透镜(6)以及所述第一分光片(7)的出射路径上，以能够经由所述第二分光片(8)合并所述第三聚光透镜(6)所汇聚的光线，以及经由所述第一分光片(7)合束后的光线。5.根据权利要求4所述的紧凑型车载dlp投影系统，其特征在于，所述第二分光片(8)与所述显示芯片(12)之间依次设有柱透镜(9)和场镜(11)，所述柱透镜(9)适于将经过所述第二分光片(8)的光线在x方向上汇聚，在y方向上不变；所述场镜(11)适于接收并折射经由所述柱透镜(9)汇聚后的光线，并在所述显示芯片(12)上形成照明光斑，且所述场镜(11)适于汇聚由所述显示芯片(12)反射的光线，以能够减小光线高度。6.根据权利要求1所述的紧凑型车载dlp投影系统，其特征在于，所述显示芯片(12)上设有多个微透镜，所述多个微透镜适于开启或关闭，以能够经由处于开启状态的多个所述微透镜反射照射在其上的所述照明光斑至所述投影镜头组(13)内，以实现对应的像素投影。7.根据权利要求5所述的紧凑型车载dlp投影系统，其特征在于，所述场镜(11)与所述显示芯片(12)在y轴的夹角范围为18
°
～24
°
，所述反射镜与y轴的夹角范围为50
°
～60
°
，所述投影镜头组(13)与x轴垂直设置。8.根据权利要求1至7中任一项所述的紧凑型车载dlp投影系统，其特征在于，所述投影镜头组(13)的f数在2.0～3.0之间。9.根据权利要求5所述的紧凑型车载dlp投影系统，其特征在于，所述柱透镜(9)在x轴，y轴方向上具有不同的曲率，其中，所述柱透镜(9)的一个面为平面，另一个面的x方向曲率半径为15～23mm。
10.一种车辆，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的紧凑型车载dlp投影系统。

技术总结
本发明涉及照明领域，公开了一种紧凑型车载DLP投影系统及车辆，包括光源；聚光透镜，设置在光源所发出的入射光线的出射路径上；分光片，对应设置于各聚光透镜的聚光方向上；和显示芯片，显示芯片适于接收经由多个分光片处理后的入射光线；投影镜头组，投影镜头组与显示芯片之间设有反光镜，反光镜适于反射经由显示芯片后的入射光线至投影镜头组进行成像。本发明通过临界照明方式实现DMD照明，减少了系统元件数量，结构更加紧凑；另外，柱透镜的使用不会增大光学拓展量，投影镜头组的相对口径可以更小；同时，柱透镜的使用不会增大光学拓展量，照明DMD的光束发散角更小，因此会减小照明光路与投影光路的重叠。路与投影光路的重叠。路与投影光路的重叠。


技术研发人员：刘岳飞 宋健 武中 熊衍建
受保护的技术使用者：常州星宇车灯股份有限公司
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/23